提高染料敏化太陽能電池光電轉換效率的途徑

吳琪

摘 要：伴隨著能源危機的加劇，染料敏化太陽能電池由于具有低成本、制作工藝簡單等優點，受到了各國科學家的廣泛關注。文章回顧了染料敏化太陽能電池從產生到發展再到逐漸成熟以及現階段取得的成就。染料敏化太陽能電池雖具有其他太陽能電池無法比擬的眾多優點，但其也存在一些問題，如光電轉換效率低便是制約染料敏化太陽能電池發展的重要因素之一。文章綜述了提高太陽能利用率及太陽能電池各器件光電轉換效率的途徑，即優化染料敏化劑增強其與半導體薄膜材料表面的鍵合強度、吸附量及穩定性。

關鍵詞：染料敏化太陽能電池；光電轉換效率；途徑

中圖分類號：TM914.4 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）05-0036-02

Abstract： With the aggravation of energy crisis， dye-sensitized solar cells have attracted wide attention from scientists all over the world because of their advantages of low cost and simple fabrication process. This paper reviews the achievements of dye-sensitized solar cells from generation to development to maturity. Dye-sensitized solar cells have many advantages that other solar cells can not compare， but there are some problems， such as low photoelectric conversion efficiency is one of the important factors restricting the development of dye-sensitized solar cells. In this paper， the ways to improve the solar energy utilization rate and the photoelectric conversion efficiency of solar cell devices are reviewed， that is， it intends to optimize the dye sensitizer to enhance the bonding strength， adsorption capacity and stability between the dye sensitizer and the surface of semiconductor thin film.

Keywords： dye-sensitized solar cells； photoelectric conversion efficiency； approach

能源是人類社會賴以生存和發展的重要基礎。20世紀中葉以來，隨著人類社會的不斷進步和全球經濟的快速發展，人類面臨的環境污染問題和能源短缺問題越來越嚴重。化石能源是人類使用的主要能源，而化石能源在促進人類社會不斷進步和發展的同時，也造成了不可再生的化石燃料，尤其是煤和石油等資源的過渡消耗。因此為了應對日益惡化的生態環境和日益嚴峻的能源形勢，科研工作者開始了對新能源領域的研究和探索。在眾多能源中，太陽能作為一種可再生的能源擁有非常廣泛的發展前景。在我國太陽能儲量豐富，開發利用方便，且無地域限制，是一種環境友好型的能源，因而受到世界范圍內研究者們廣泛關注。

光伏效應是由法國科學家Becquerel在160多年前發現的。自1839年，Becquerel在試驗中發現將鹵化物溶液涂在金屬電極上會產生光電現象[1]，即發生伏特效應以來，太陽能電池已經經歷了160多年漫長的發展歷史。至此，人們對光電化學領域開始了深入的研究。1960年代，H.Gerischer，H.Tributsch，Meier及R.Memming發現在一定條件下，當染料吸附在半導體上時會產生電流[2]，這種現象成為光電化學電池的重要基礎，從此以后，染料被廣泛用于光電化學電池研究中。從上世紀70年代到90年代，R. Memming，H. Gerischer，Hauffe，H. Tributsh等人大量研究了平板電極上的各種染料敏化劑與半導體納米晶之間的光敏化作用，但其光電轉換效率不到百分之一。1991年，Grtzel M.于《Nature》上發表了文章，報道了染料敏化太陽能電池（DSSC）的轉化效率從2.5%提高到了7.1%[3]，標志著太陽能電池的發展又進入一個嶄新的時代，為更加充分、合理的利用太陽能提供了一條新的途徑。1993年，Grtzel M.等人再次報道了光電轉換效率達10%的染料電池，就單純從轉化效率而言已十分接近傳統的硅基電池的水平。由于諸多科學家以及科研機構的共同努力，染料敏化電池的性能不斷得到改善，越來越符合當今世界的要求。染料敏化太陽能電池制備工藝簡單，生產成本低廉，其作為一種新型的太陽能電池得到了不斷的發展。染料敏化劑是染料敏化太陽能電池的關鍵組成部分，因而也備受研究人員的關注。

有機染料敏化納米晶太陽能電池雖具有理論轉換效率高、制備工藝簡單、透明性高、可半透明、成本低（僅為硅系太陽能電池的1/5以下）等眾多優點，但相對于第一代和第二代太陽能電池，仍存在諸多亟待解決的問題，主要有其效率有待提高，原材料及器件制造成本高和器件的長期穩定性等問題。一方面是因為這種新型太陽能電池發展的時間還比較短，另一方面主要是因為常規的思路已經完全不能解決現時代下對染料電池的要求。所以染料電池想要想達到產業化階段，光電轉換效率低和長期穩定性便是制約染料敏化太陽能電池發展的重要因素之一。有機染料敏化納米晶太陽能電池以半導體TiO2薄膜為光陽極、引入帶有發色團的染料分子，借助于染料對可見光的強吸收，提高光電轉化效率。其工作原理為：當入射光（特征吸收波長）照射在染料敏化太陽能電池的納米TiO2的陰極上時，染料分子中的電子吸收光子從而躍遷到高能量的激發態，從而產生電子空穴對。電子和空穴在氧化物半導體與染料之間的界面上發生分離，此后電子將快速注入到二氧化鈦導帶內，空穴則以相反的方向運動，因而在閉合回路中產生電流，達到光電轉換的目的。在反應過程中，激發態電子壽命越長，越有利于電子的注入。若激發態電子壽命太短，則在電子未被注射到導帶之前，電子就已經通過非輻射衰減湮滅了。因此降低TiO2的禁帶寬度，減少電子與空穴的復合，提高電子注入率，寬化可利用太陽光譜范圍以及提高染料敏化劑吸附量已成為提高光電轉化效率的關鍵問題。endprint

目前各國的很多研究人員也將他們的研究重點放在了DSSC敏化劑的研究上，這是因為整個電池中的半導體是寬帶材料，只對紫外光有良好的吸收，故而對太陽光的利用率極低，難以滿足大眾的要求，為了解決這一問題，通常選擇加入染料進行敏化，改變原有的吸收機制，使電池對光的吸收范圍拓寬至可見光區域；染料敏化劑分子的性質對太陽能敏化電池的各項性能有直接的影響，因為尋找一種優良的染料敏化劑分子是提高染料敏化太陽能電池的關鍵。在太陽能敏化電池中，經特定波長的入射光照射染料，為了將光生電子注入外電路，在有機金屬配合物染料中通常將有金屬到配體的電子躍遷的發生，隨后將電子注入半導體的導帶中。對于純有機染料來說也具有相似的過程，染料分子通過分子內的π-π*躍遷，將受激后產生的電子注入半導體的導帶中。而通過對染料分子進行分子結構和組態的改變，進而達到調控材料能級的目的，從而優化器件性能，所以在染料敏化太陽能電池領域里對染料的研究一直是熱點和重點。另一個重要的研究出發點是基于液態電解質的染料敏化太陽能電池的轉化效率雖然已經超過了12%，但是液態電解質的泄露、不易密封以及電池的穩定性不高卻嚴重束縛著它的發展。因此研究開發不含易揮發有機溶劑的高性能全固態電解質是染料敏化太陽能電池發展的一個重要方向，也是今后電池大規模生產應用的必須滿足的硬指標。

因此有兩種有效提高太陽能電池光電轉化效率技術途徑：通過優化染料敏化劑增強其與半導體薄膜材料表面的鍵合強度、吸附量及穩定性，提高太陽能電池的光電轉化效率和使用壽命；研發具有較窄盡帶寬度、可利用可見光的納米級半導體薄膜材料，提高太陽能的利用率的同時，延長光生電子壽命和提高電池光生電子密度，進而提高光電轉化效率。目前新型的有機染料分子結構多樣，且容易修飾，合成工藝簡單。因此，通過巧妙設計純有機染料進而提高燃料敏化太陽能電池也具有相當的競爭力。近年來，基于純有機染料的DSSCs 的性能有了顯著的提高。Tingli Ma將N-TiO2應用于N719型DSSCs系統中可將光電轉化效率提高至8%，并提出若能提高染料敏化劑在電極薄膜表面吸附量，將有利于光電轉化效率的進一步提高。在全太陽光照射下，基于二氫吲哚染料的DSSC達到了高于9%的能量轉換效率， 仍略低于N3系列染料。而利用三苯胺、香豆素、二烷基苯胺、低（聚）噻吩、二萘嵌苯等染料改善DSSC性能的研究也均有報道。

總之，DSSC依靠其他太陽能電池無法與之比擬的眾多優點，逐步發展到向產業化過度的階段。雖然目前尚存在一些問題（如其效率還有待提高），但隨著對DSSC研究的深入，技術水平的不斷提高，染料敏化太陽能電池良好的應用前景必將顯現，其產業化的趨勢也不可阻擋。未來，DSSC必將以其優越的性能得到人們的廣泛使用，走向實用化，而且必會依靠其低成本及高性能優勢在激烈的太陽能市場競爭中脫穎而出，并在未來能源結構中取得一席之地。最后，DSSC的產業化發展將有效解決人類在發展經濟過程中對能源的迫切需求，且不會造成環境污染，可以預見DSSC將成為清潔能源的佼佼者，并帶領新能源產業在世界范圍內廣泛使用。

參考文獻：

[1]Becquerel A E . Mémoire sur les effets électriques produits sous l'influence des rayons solaires[J].Comptes Rendus，1839，9（1839）： 561-567.

[2]Katoh R. Quantitative evaluation of electron injection efficiency in dye-sensitized TiO2 films[J].Ambio，2012，41（2）：143-148.

[3]O'reagan B， Gratzel M. A low-cost， high-efficiency solar cell based on dye-sensitized colloidal titanium dioxide films[J].Nature， 1991， 353（6346）： 737-740.

[4]馬廷麗.染料敏化太陽能電池-從理論基礎到技術應用[M].北京：化學工業出版社，2013：279-283.

[5]苗青青，高玉榮，馬廷麗.染料敏化太陽能電池大面積化及產業化研究[J].化學通報，2011，74（9）：1-7.

[6]李寧，王曉兵.淺談太陽能電池的動態模型和動態特性[J].科技創新與應用，2016（29）：85.

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